WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Линдиман Анастасия Васильевна

ПРОЦЕССЫ МИГРАЦИИ СВИНЦА И КАДМИЯ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-РАСТЕНИЕ»

Специальность 03.00.16 - Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Иваново-2009

Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре общей химической технологии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент

Невский Александр Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор

Гусакова Наталия Николаевна

кандидат химических наук, доцент

Ефимова Галина Александровна

Ведущая организация:

Институт экологических проблем Севера Уральского отделения Российской Академии Наук, г. Архангельск

Защита состоится 18 мая 2009 г. в 10.00 часов в ауд. Г-205 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 при ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат диссертации разослан «_____» апреля 2009 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских и кандидатских

диссертаций Гришина Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

На протяжении последних десятилетий непрерывно повышается уровень антропогенного воздействия на природную среду. Чрезвычайно нежелательным результатом данного воздействия является химическое загрязнение почвы токсическими веществами. К критериальным загрязняющим почву веществам относятся тяжелые металлы (ТМ), источниками поступления которых являются промышленные предприятия, энергетические комплексы, транспорт, сельскохозяйственное производство.

К одним из наиболее токсичных для живых организмов ТМ относятся свинец и кадмий. Установлено, что в настоящее время содержание этих металлов в почвах достаточно часто значительно превышает их фоновые концентрации. Накопление свинца и кадмия в почве в конечном итоге приводит к ее деградации и образованию, так называемых, техногенных пустынь. В этой связи, очистка (восстановление) почв путем извлечения из них избыточного количества ТМ представляет собой весьма актуальную задачу. Известен биотехнологический прием детоксикации почв с помощью растений-аккумуляторов – фиторемедиация, суть которого заключается в очистке почвенного покрова от токсикантов посредством культивирования растений, активно извлекающих и аккумулирующих вредные вещества в своей биомассе. Данная технология достаточно перспективна и привлекательна в связи с тем, что в ее основе лежит естественный природный процесс биологического круговорота, составными частями которого являются: культивирование растений-аккумуляторов, улучшение свойств почв и защит их от эрозии. При этом исключаются какое-либо вредное химическое воздействие на почву и «жесткие» механические инженерно-мелиоративные решения, например, такие как экскавация грунта. С экономической точки зрения фиторемедиация имеет преимущества перед «химическими» и «механическими» методами ремедиации почв, так как ее внедрение не предполагает крупных капиталовложений, и эксплуатационные расходы на реализацию данной технологии невелики.

Следует отметить, что при разработке методов фиторемедиации почв, загрязненных ТМ, в настоящее время существуют определенные проблемы. Эта современная, активно развивающаяся биотехнология восстановления почвенной среды на сегодняшний день является в определенной мере стихийной, с не всегда прогнозируемыми результатами. Причинами такой ситуации являются недостаточная изученность характера протекающих процессов и отсутствие сложившейся теории.

Цель работы: установление закономерностей процессов миграции свинца и кадмия в системе «почва-растение» для извлечения данных металлов из загрязненных почв.

Задачи работы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

  1. установить взаимосвязь между изменением свойств природных растительных сообществ и уровнем антропогенного воздействия на почвенные экосистемы;
  2. изучить механические и физико-химические свойства почв, влияющие на процессы миграции свинца и кадмия в системе «почва-растение»;
  3. экспериментально обосновать выбор перспективных растений-аккумуляторов свинца и кадмия с целью извлечения этих металлов из загрязненных почв;
  4. изучить влияние активатора – янтарной кислоты (ЯК) на интенсификацию процесса извлечения свинца и кадмия из загрязненных данными металлами почв;

Научная новизна.

В ходе работы получены результаты, которые вносят вклад в развитие теории мониторинга окружающей среды и процессов миграции и трансформации ТМ в системе «почва-растение», а именно:

  1. установлена взаимосвязь между степенью антропогенного воздействия на экосистему (содержанием ТМ в почве) и увеличением доли и густоты стояния рудеральных (сорных, неприхотливых к условиям окружающей среды) видов растений в общем составе растительного сообщества;
  2. обнаружено, что свинец и кадмий накапливаются, в основном, в надземной части организма растений по сравнению с корневой частью, а именно: при раздельном присутствии тяжелых металлов 60-80 % от общей массы поглощенных растением металлов накапливается в надземной части растения; при совместном присутствии ТМ – свинец равномерно распределяется в корнях и в надземной части, а кадмий на 60-65 % аккумулируется в надземной части растения.
  3. установлено, что степень извлечения из почвы свинца и кадмия растениями-аккумуляторами зависит от качества (состава) почв и возрастает в ряду: тяжелосуглинистые < среднесуглинистые < легкосуглинистые почвы.
  4. обнаружено, что введение янтарной кислоты в почву повышает эффективность извлечения тяжелых металлов из загрязненной почвы овсом посевным, горчицей полевой, кресс-салатом: в 8, 5, 16 раз для свинца и в 11, 11, 4 раз для кадмия при раздельном присутствии данных металлов в почве и в 3-10 раз для обоих металлов при их совместном присутствии в почве.

Практическое значение.

На основании научных исследований, выводов и обобщений предложены пути реализации результатов работы:

  1. показана возможность использования соответствующего набора естественно произрастающих растений (овсяница луговая, крапива двудомная, горчица полевая, мятлик луговой) в качестве индикаторов содержания свинца и кадмия в почвенном покрове;
  2. рекомендованы перспективные виды растений – овес посевной и горчица полевая для проведения процесса фитоэкстракции свинца и кадмия из загрязненных этими металлами почв;
  3. сделаны рекомендации по внесению в почву ЯК с целью повышения эффективности извлечения из почвы свинца и кадмия растениями и установлены оптимальные условия применения ЯК в качестве активатора процесса фитоэкстракции свинца и кадмия из загрязненных почв, а именно: при совместном присутствии свинца и кадмия в почве соотношение молярной концентрации ТМ:ЯК должно составлять 1:1, а при раздельном: 1:2 для свинца и 1:1 для кадмия.

Надежность результатов и достоверность выводов.

Надежность полученных результатов обеспечена использованием современных методов исследования, классического аппарата статистической обработки результатов эксперимента. Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций, сделанных в работе, обусловлена их соответствием фундаментальным положениям теории мониторинга окружающей среды и процессов миграции и трансформации токсикантов в биосфере.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на: научной конференции «Молодая наука – развитию Ивановской области», г. Иваново, ИвГУ, 2005 г.; студенческой научной конференции, г. Иваново, ИГХТУ, 2005 г.; IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону», г. Вологда, ВоГТУ, 2006 г.; Международной конференции «Климат и окружающая среда», г. Москва, 2006 г.; IV Международной конференции «Сотрудничество для решения проблем отходов», г. Харьков, 2007 г.; Международном экологическом конгрессе (III Международной конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (ELPIT-2007), г. Тольятти, 2007 г.; VII Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей», г. Пенза, 2008 г..

На защиту выносится:

  1. обоснование взаимосвязи между степенью антропогенного воздействия на экосистему и увеличением доли и густоты стояния рудеральных видов растений в общем составе растительного сообщества;
  2. обоснование выбора естественно-произрастающих растений для использования в качестве индикаторов содержания свинца и кадмия в почвенном покрове;
  3. обоснование выбора перспективных видов растений для практического применения в качестве эффективных аккумуляторов свинца и кадмия при извлечении этих металлов из загрязненных почв;
  4. закономерности распределения свинца и кадмия в различных частях организма растений в зависимости от свойств почвы и ее уровня загрязнения ТМ;
  5. рекомендации по введению в почву ЯК с целью повышения эффективности извлечения свинца и кадмия растениями и условиям применения ЯК в качестве активатора процесса фитоэкстракции этих металлов из загрязненных почв.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в формулировке цели и задач исследования, проведении эксперимента, обсуждении результатов работы и ее апробации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных трудов, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах, содержит 103 рисунка, 22 таблицы; состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав, основных выводов, списка используемой литературы (237 наименований) и приложения (объемом 20 страниц).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, дана краткая характеристика существующего положения по возможности применения фиторемедиации, как варианта биотехнологического приема извлечения ТМ из загрязненных данными ксенобиотиками почв.

В разделе «Общая характеристика работы» сформулированы цель и задачи исследования, обоснованы научная новизна и практическое значение работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния вопроса о воздействии свинца и кадмия на почву и живые организмы почвенных экосистем и способах детоксикации почвы.

В первом разделе определены основные источники поступления свинца и кадмия в окружающую среду, охарактеризовано токсическое действие данных металлов на почвенные экосистемы, рассмотрены пути миграции свинца и кадмия в компонентах биосферы.

Во втором разделе рассмотрена роль почвы в процессах миграции и трансформации загрязняющих веществ, проведен анализ литературных данных о загрязнении почв свинцом и кадмием в различных районах России и за рубежом. Установлены основные формы нахождения ТМ в почве, возможные пути их миграции по почвенному профилю и биодоступность для растений.

Третий раздел посвящен анализу существующих методов детоксикации почв, загрязненных соединениями ТМ. Механизм токсического действия соединений ТМ на живые организмы можно связать с процессом их взаимодействия с функциональными группами ферментных и мембранных белков, прежде всего, с сульфогидрильными, аминными, карбоксильными, например, по схеме:

Me2+ + HS-R 2 MeS-R + 2H+ (1)

Указанные взаимодействия изменяют конформацию белковых молекул, что приводит к нарушению их ферментной и транспортной активности. Высокое химическое сродство большинства ТМ к данным функциональным группам способствует накоплению токсикантов в растительных организмах.

Отмечен факт отсутствия надежных методов детоксикации почв, загрязненных свинцом и кадмием, за исключением землевания и полной замены верхнего слоя почвы. Отмечены преимущества биологических методов рекультивации почв.

В четвертом разделе описана суть биологического метода очистки почв с помощью растений-аккумуляторов – фиторемедиации, рассмотрены его разновидности, механизмы действия, эколого-экономическая эффективность. Рассмотрено перспективное направление метода фиторемедиации, заключающееся в создании растительно-микробных систем, на основе эндомикоризных грибов и клубеньковых бактерий, которые способны не только поглощать ТМ из почвы, но и обогащать ее питательными элементами.

Пятый раздел посвящен анализу механизмов трансформации ТМ в организме растения. Рассмотрены биохимические механизмы защиты растений, возникающие в стрессовых ситуациях при высоком уровне антропогенного загрязнения. Проанализированы существующие способы утилизации конечных продуктов фиторемедиации почвы.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»